(Luận văn thạc sĩ hcmute) ứng dụng mã ldpc và mã stf vào hệ thống mimo ofdm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN ĐỨC PHÚC

ỨNG DỤNG MÃ LDPC VÀ MÃ STF
VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

S K C0 0 4 3 5 1

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN ĐỨC PHÚC

ỨNG DỤNG MÃ LDPC VÀ MÃ STF
VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM

NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGUYỄN ĐỨC PHÚC

ỨNG DỤNG MÃ LDPC VÀ MÃ STF
VÀO HỆ THỐNG MIMO-OFDM

NGÀNH:KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 605270
Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS PHẠM HỒNG LIÊN

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:

Họ & tên: Nguyễn Đức Phúc
Giới tính:Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 26/11/1978
Nơi sinh:Sóc Trăng
Q qn:
Dân tộc:Kinh
Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc:167I/5 Trần Vĩnh Kiết, Phường An Bình, Quận
Ninh Kiều, Tp.Cần Thơ.
Điện thoại cơ quan:
Điện thoại nhà riêng:0989755066
Fax:
E-mail:
II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo:
Nơi học (trường, thành phố):
Ngành học:

Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ ……

2. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính quy
Thời gian đào tạo từ 09/1998 đến 03/2003
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Cần Thơ
Ngành học: Điện Tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết bị báo động và điều khiển từ xa
qua mạng điện thoại.
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:2003
Người hướng dẫn: ThS. Đồn Hịa Minh
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI

HỌC:
Thời gian

Nơi công tác

Công việc đảm nhiệm

06/2003

Công ty CP Thuộc da Tây Đô

Kỹ thuật sửa chữa

09/2004

Trường Đại Học Cửu Long
Trung Tâm Truyền hình Việt Nam tại
Thành Phố Cần Thơ

Giảng viên

09/2005 -> nay

Kỹ thuật sửa chữa

Trang i

Luan van

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2014

Nguyễn Đức Phúc

Trang ii

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

LỜI CẢM TẠ
Đầu tiên em xin chân thành cảm ơn cô PGS.TS Phạm Hồng Liên đã hết lòng
quan tân và hướng dẫn tận tình, tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành
tốt đề tài.
Xin cảm ơn sự giúp đở của các đông nghiệp cũng như bạn bè trong lớp và
ngồi lớp. Gia đình cũng đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi được hồn thành
cuốn luận văn này. Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy cô đã truyền đạt
kiến thức quý báu cho em trong khóa học giúp em có đủ kiến thức và khả năng
hoàn thành đề tài luận văn này.

Sau cùng, em xin kính chúc q Thầy Cơ dồi dào sức khỏe, niềm tin để tiếp
tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức cho thế hệ mai sau.
Tp.Hồ Chí Minh, ngày … tháng 10 năm 2014

Nguyễn Đức Phúc

Trang iii

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

TÓM TẮT
Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp (LDPC) đã được Gallager đề xuất đầu tiên
vào năm 1963[1]vàđã được chứng minh tiến rất gần giới hạn Shannon. Mặt khác,
một vấn đề đáng quan tâm trong các hệ thống thông tin di động đó là hiện tượng
fading làm cho chất lượng tín hiệu xấu đi. Một trong các phương pháp để khắc phục
vấn đề này là sử dụng các kỹ thuật phân tập. Cùng với kỹ thuật phân tập không gian
bằng cách sử dụng nhiều anten, phân tập tần số và phân tập thời gian cũng giúp ích
rất nhiều trong việc cải thiện chất lượng hệ thống, tùy vào các điều kiện kênh
truyền. Các phương pháp sử dụng các kỹ thuật phân tập tương ứng có thể được gọi
là mã hóa khơng-thời gian (ST), mã hóa khơng gian-tần số (SF) và mã hóa không
gian-thời gian-tần số (STF).
Trong luận văn này, một hệ thống kết hợp bộ mã LDPC với hệ thống MIMOOFDM sử dụng mã hóa STF được khảo sát. Các kết quả mơ phỏng được thực hiện
trong các trường hợp khi có sử dụng bộ mã LDPC và khi không sử dụng bộ mã
LDPC để dễ dàng so sánh và đưa ra kết luận. Luận văn đã sử dụng bộ mã LDPC
qua với ma trận kiểm tra chẵn lẻ H(128x256), mơ hình kênh truyền là COST207,

các phương pháp điều chế BPSK, QPSK, 4QAM, để tiến hành mô phỏng. Luận văn
tiến hành mô phỏng trên các hệ thống SIMO, MISO, MIMO với số lượng các anten
thu phát khác nhau.
Thông qua các kết quả mơ phỏng đã chứng mình được khả năng kiểm sốt lỗi
của hệ thống khi có sử dụng bộ mã LDPC và mã STF được cải thiện đáng kể so với
khi không sử dụng bộ mã nào.

Trang iv

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

ABSTRACT
Low Density Parity Check codes (LDPC) were first discovered by Gallager in
1963[1]and has been proven very close to the Shannon limit. Otherwise, an another
problem in the mobile communication system is the fading effects which makes the
signal quality was deteriorated. One of the methods to overcome this problem is to
use the diversity technical. Along with spatial diversity due to multiple antennas,
frequency diversity and time diversity may also be available to the system,
depending on the channel conditions. Schemes that utilise this diversity are called
space-time (ST) codes, space-frequency (SF) codes and space-time-frequency (STF)
codes.
In this dessertation, a system combining LDPC codes with a MIMO-OFDM
system using STF codes is proposed. In the simulation, we performed simulation in
two cases, when using LDPC codes and when not using LDPC codes. Comparing
simulation results and drawing conclusions. The thesis used irregular LDPC codes

with H(128x256) matrix, COST207 chanel model to simulate. A lot of method
modulations were used to simulate as BPSK, QPSK, 4QAM. The simulation results
concentrated on SIMO, MISO and MIMO systems with the different number of
antennas.
By the simulation results, we have demonstrated that the ability of controling
error of system which used LDPC codes anh STF codes was improved more than
the system which used no codes.

Trang v

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

MỤC LỤC
Trang

LÝ LỊCH KHOA HỌC ............................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................... ii
LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................ iii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iv
ABSTRACT ................................................................................................................v
MỤC LỤC ................................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................x
DANH SÁCH CÁC HÌNH ...................................................................................... xii
DANH SÁCH CÁC BẢNG .................................................................................... xiv
Chương 1. TỔNG QUAN ........................................................................................1

1.1 Đặt vấn đề.............................................................................................................1
1.1.1 Mã LDPC(Low Density Parity Check) ..............................................................1
1.1.2 MIMO-OFDM....................................................................................................1
1.1.3 Chọn đề tài .........................................................................................................4
1.2 Mục tiêu đề tài ......................................................................................................4
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề .............................................................4
1.4 Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................4
Chương 2. TỔNG QUAN BỘ MÃ LDPC ...............................................................5
2.1 Giới thiệu ..............................................................................................................5
2.2 Khái niệm cơ bản về mã LDPC ...........................................................................5
2.2.1 Định nghĩa mã LDPC .........................................................................................5
2.2.2 Biểu diễn mã LDPC ...........................................................................................6

Trang vi

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

2.2.2.1 Biểu diễn ma trận ............................................................................................6
2.2.2.2 Đồ hình Tanner ...............................................................................................6
2.2.3 MãLDPC có quy tắc và bất quy tắc ...................................................................8
2.2.3.1 Mã LDPC có quy tắc ......................................................................................8
2.2.3.2 Mã LDPC bất quy tắc .....................................................................................9
2.2.3.3 Mức phân phối (degree distribution) ............................................................10
2.3 Mã hóa mã LDPC ...............................................................................................10
2.4 Giải mã mã LDPC ..............................................................................................11

2.4.1 Giải mã tổng tích (Sum – product decoding) ...................................................11
2.4.2 Giải thuật giải mã lật bit (Bit-Flipping - BF) ...................................................14
2.5 Tóm tắt ...............................................................................................................15
Chương 3. HỆ THỐNG MIMO-OFDM ................................................................17
3.1 OFDM ................................................................................................................17
3.1.1 Giới thiệu: ........................................................................................................17
3.1.2 Mơ hình hệ thống: ............................................................................................19
3.2 KỸ THUẬT MIMO ...........................................................................................27
3.2.1 Giới thiệu: ........................................................................................................27
3.2.2 Kỹ thuật phân tập: ............................................................................................29
3.2.2.1 Phân tập thời gian: ........................................................................................29
3.2.2.2 Phân tập khơng gian:.....................................................................................30
3.2.2.3 Phân tập tần số: .............................................................................................31
3.2.3 Mơ hình hệ thống MIMO: ................................................................................32
3.2.4 Dung lượng hệ thống MIMO: ..........................................................................34
3.3 HỆ THỐNG MIMO – OFDM............................................................................37
Trang vii

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

3.3.1 Giới thiệu: ........................................................................................................37
3.3.2 Mơ hình hệ thống: ............................................................................................38
Chương 4. MÃ HĨA TRONG HỆ THỐNG MIMO-OFDM ................................42
4.1 MÃ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN STC ..........................................................42
4.1.1 Giới thiệu: ........................................................................................................42

4.1.2 Mơ hình hệ thống: ............................................................................................42
4.1.3 Mã STBC: ........................................................................................................44
4.1.3.1 Sơ đồ Alamouti: ............................................................................................44
4.1.3.2 Sơ đồ Alamouti mở rộng: .............................................................................48
4.1.3.3 Sơ đồ hệ thống N anten phát và M anten thu: .............................................49
4.1.3.4 STBC cho chịm sao tín hiệu thực: ...............................................................52
4.1.3.5 STBC cho chịm sao tín hiệu phức ...............................................................54
4.1.3.6 Giải mã STBC ...............................................................................................56
4.2 MÃ KHÔNG GIAN – TẦN SỐ SFC ................................................................60
4.2.1 Giới thiệu: ........................................................................................................60
4.2.2 Mơ hình tín hiệu: ..............................................................................................60
4.2.3 Thiết kế mã :.....................................................................................................62
4.2.4 Giải mã: ............................................................................................................64
4.3 MÃ KHÔNG GIAN – THỜI GIAN – TẦN SỐ STFC .....................................64
4.3.1 Giới thiệu: ........................................................................................................64
4.3.2 Mơ hình tín hiệu: ..............................................................................................65
4.3.3 Thiết kế mã:......................................................................................................68
4.3.4 Giải mã: ............................................................................................................70
Chương 5. MÔ PHỎNG VÀ KẾT QUẢ ...............................................................71
Trang viii

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

5.1 Mã LDPC ...........................................................................................................71
5.2 Hệ thống MIMO .................................................................................................72

5.3 Hệ thống MIMO-OFDM: ...................................................................................74
5.4 Mã không gian-tần số SF: ..................................................................................77
Khảo sát hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF với các thơng số sau:........................77
5.5 Mã khơng gian-thời gian-tần số STF: ................................................................80
5.6 Kết hợp Mã LDPC và mã STF ...........................................................................84
5.7 So sánh một số kết quả của hệ thống MIMO-OFDM ........................................88
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...........................................93
6.1 Kết luận ..............................................................................................................93
6.2 Hướng phát triển ................................................................................................93
PHỤ LỤC ..................................................................................................................94
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................105

Trang ix

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
LDPC

Low Density Parity Check

FEC

Forward error correction

DVB

Digital Video Broadcasting

VLSI

Very-large-scale integration

AWGN Additive White Gaussian Noise
BER

Bit Error Rate

BPSK Binary Phasee Shift Keying
CSI

Channel State Information

FFT

Fast Fourier transform

IFFT

Inverse fast Fourier transform

DFT

Discrete Fourier transform

IDFT

Inverse Discrete Fourier Transform

PARR

Peak to Average Power Ratio

i.i.d

independent identically distributed

ICI

Inter-Carrier Interference

ISI

Inter Symbol Interference

FIR

Finite Impulse Response

LP

Linearly Precoded

MIMO Multiple-Input Multiple-Output
ML

Maximum Likelihood

MRC

Maximal Ratio Combiner

OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
CP

Cyclic Prefix

Pdf

probability density function

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

QPSK Quadrature Phase Shift Keying
BER

Bit Error Rate

Trang x

Luan van

GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

MMSE

Minimum Mean Square Error

SIC

Successive Interference Cancellation

SISO

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

Single-Input Single-Output

SFC

Space-Frequency code

SNR

Signal Noise Rate

STBC Space–time block code
STC

Space-Time code

STFC Space-Time-Frequency code

Trang xi

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH

TRANG

Hình 2.1: Đồ hìnhTanner tương ứng với ma trận kiểm tra chẵn lẻ H trong (2.1).......8
Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ thống OFDM cơ bản ..........................................................19
Hình 3.2 a) Khái niệm CP; b) Symbol OFDM mở rộng tuần hồn ..........................22
Hình 3.3 Kênh truyền nhiều ngõ vào và nhiều ngõ ra MIMO cơ bản ......................28
Hình 3.4: Sơ đồ khối kênh MIMO tương đương khi N > M ....................................36
Hình 3.5: Sơ đồ khối kênh MIMO tương đương khi M > N ....................................36
Hình 3.6: Mơ hình hệ thống N x M MIMO-OFDM .................................................38
Hình 4.1: Mơ hình hệ thống băng gốc ......................................................................42
Hình 4.2: Sơ đồ khối mã hóa ST Alamouti ...............................................................44
Hình 4.3Bộ thu cho sơ đồ Alamouti .........................................................................45
Hình 4.4: Sơ đồ tổng quát N anten phát và M anten thu .........................................49
Hình 4.5: Mã hóa STBC............................................................................................50
Hình 4.6: Mã hóa SF .................................................................................................62
Hình 4.7: Cơ chế truyền mã STF ..............................................................................65
Hình 5.1: LDPC trên kênh truyền AWGN ...............................................................72

Hình 5.2: MIMO chưa mã hóa: cùng mức phân tập 6 .............................................73
Hình 5.3: MIMO chưa mã hóa: thay đổi anten phát ................................................73
Hình 5.4: MIMO chưa mã hóa: thay đổi anten thu ..................................................74
Hình 5.5: MIMO-OFDM chưa mã hóa: thay đổi anten phát ...................................75
Hình 5.6: MIMO-OFDM chưa mã hóa: thay đổi anten thu .....................................76
Hình 5.7: MIMO-OFDM chưa mã hóa: thay đổi số đường fading L ......................76
Hình 5.8: MIMO-OFDM chưa mã hóa: cùng mức phân tập Tx*Rx*L=32 ............77
Hình 5.9: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF, thay đổi anten phát .......................78
Hình 5.10: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SFC, thay đổi anten thu ....................79
Hình 5.11: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SFC, 2Tx x 2Rx, thay đổi L .............79
Hình 5.12: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF, Tx* Rx* L=32............................80
Hình 5.13: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF thay đổi anten phát ....................81
Trang xii

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

Hình 5.14: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF, thay đổi anten thu .....................82
Hình 5.15: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF, phân tập thời gian ....................83
Hình 5.16: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF, phân tập theo số đường fading .83
Hình 5.17: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa STF, cùng mức phân tập ...................84
Hình 5.18: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa LDPC và STF thay đổi anten phát ...85
Hình 5.19: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa LDPC và STF thay đổi anten thu .....86
Hình 5.20: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa LDPC và STF phân tập thời gian ......87
Hình 5.21: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa LDPC và STF thay đổi số đường
fading ...................................................................................................................87

Hình 5.22: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa LDPC và STF cùng mức phân tập 6488
Hình 5.23: So sánh hệ thống MIMO-OFDM khi điều chế BPSK ............................89
Hình 5.24: So sánh hệ thống MIMO-OFDM khi điều chế 4QAM ...........................90
Hình 5.25 Hệ thống MIMO mã hóa Alamouti 2 anten phát 2 anten thu [28]...........91
Hình 5.26: So sánh hệ thống MIMO-OFDM khi điều chế QPSK ............................91

Trang xiii

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

DANH SÁCH CÁC BẢNG
BẢNG

TRANG

Bảng 5-1: Mã LDPC .................................................................................................71
Bảng 5-2: Hệ thống MIMO – chưa mã hóa ..............................................................72
Bảng 5-3: Hệ thống MIMO-OFDM - chưa mã hóa ..................................................74
Bảng 5-4: Hệ thống MIMO-OFDM mã hóa SF ........................................................78
Bảng 5-5 Hệ thống MIMO-OFDM - mã hóa STF ....................................................80
Bảng 5-6 Hệ thống MIMO-OFDM - mã hóa LDPC và mã STF ..............................84
Bảng 5-7: So sánh giữa các hệ thống MIMO-OFDM khác nhau. ............................89

Trang xiv

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1.1 Đặt vấn đề
Thế giới con người đang trong kỷ nguyên của thông tin và được mọi người
truy cập hằng ngày. Đa số các thiết bị mà mọi người sử dụng đều sử dụng mạng
không dây để truyền dữ liệu như kỹ thuật Wifi, 3G, 4G, … Trong đó kỹ thuật làm
cách nào để có độ tin cậy tối đa khi truyền khơng dây địi hỏi nhiều kỹ thuật rất
phức tạp.
Các tiến bộ của kỹ thuật truyền thông không dây gần đây của thế giới đã làm
gia tăng dung lượng của kênh truyền rất nhiều, đồng thời tăng độ tin cậy của hệ
thống không ngừng gia tăng. Việc sử dụng các bộ mã sữa lỗi mạnh như mãkiểm tra
chẵn lẻ mật độ thấp(LDPC), kết hợp các kỹ thuật phân tậpđược sử dụng rộng rãi để

giảm ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà
không phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông.
1.1.1 Mã LDPC(Low Density Parity Check)
Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp[1] (LDPC) đã được chứng minh tiến rất gần
giới hạn Shannon. Một phạm vi rộng trong các hệ thống thông tin mới nhất và hệ
thống lưu trữ đã chọn mã LDPC làm mã sửa sai (FEC) trong các ứng dụng bao gồm
truyền hình quảng bá kỹ thuật số (DVB-S2, DVB-T2), Ethernet 10 Gigabit
(10GBASE-T), truy cập không dây băng thông rộng (WiMax), mạng cục bộ không
dây (WiFi), thông tin không gian sâu (deep-space) và lưu trữ từ trường trong ổ đĩa
cứng. Việc áp dụng mã LDPC, ít nhất về lý thuyết, là chìa khóa để đạt được thơng
tin tin cậy hơn.

1.1.2 MIMO-OFDM
Các hệ thống thông tin không dây luôn được nghiên cứu nhằm cải thiện chất
lượng dung lượng cũng như khả năng chống lại hiện tượng đa đường. Đối với các
hệ thống thơng tin truyền thống chất lượng tín hiệu có thể cải thiện bằng cách tăng
cơng suất, dung lượng truyền hệ thống có thể tăng khi tăng băng thông. Tuy nhiên

Trang 1

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

công suất cũng chỉ có thể tăng tới một mức giới hạn nào đó vì cơng suất phát càng
tăng thì hệ thống càng gây nhiễu cho các hệ thống thông tin xung quanh, băng
thông của hệ thống cũng không thể tăng mãi lên được vì việc phân bố băng thơng
đã được định chuẩn sẵn. Các kỹ thuật phân tập được sử dụng rộng rãi nhằm giảm
ảnh hưởng của fading đa đường và cải thiện độ tin cậy của truyền dẫn mà không
phải tăng công suất phát hoặc mở rộng băng thông.
Năm 1999, Telatar[2] đã chứng minh hệ thống thông tin liên lạc nhiều với
anten có dung lượng cao hơn nhiều so với các hệ thống đơn anten (SISO). Họ cho
thấy rằng việc cải thiện dung lượng gần như tuyến tính với số lượng anten truyền
hoặc anten nhận. Kết quả này cho thấy tính ưu việt của hệ thống nhiều anten và
ngày càng có nhiều sự quan tâm đặc biệt trong lĩnh vực này, nhiều cơng trình
nghiên cứu đã được thực hiện để khái quát hóa và cải tiến các kết quả của họ. Cơng
trình nghiên cứu của các tác giả V.Tarokh, N.Seshadri, and A. R. Calderb ank
(1998)[3], đã sử dụng mã không gian thời gian (Space-time codes) cho các hệ thống
vô tuyến tốc độ cao[4]. Kết quả là các symbols được mã hóa theo các anten, được

truyền đồng thời và được giải mã bằng bộ giải mã tương đồng lớn nhất (maximum
likelihood decoder- ML). Cách làm này rất hiệu quả vì nó kết hợp giữa việc sửa lỗi
với phân tập đường truyền làm tăng dung lượng hệ thống.
Năm 1998 Alamouti[5]đã đề cử mã khối không-thời gian (STBC) đơn giản
và hấp dẫn với độ phức tạp thấp, cho độ phân tập đầy và toàn tốc thích hợp cho mơi
trường fading chậm. STBC có thể tăng dung lượng bằng cách khai thác độ phân tập
không gian. Điều này đặc biệt hữu ích trong trường hợp trải phổ của mơi trường là
thấp (ít bị phân tán tần số). Và với việc dùng nhiều hơn một anten phát hay thu,
hình thành một kênh nhiều đầu vào nhiều đầu ra (Multiple-Input Multiple-Output,
MIMO), ta có được các phương pháp phân tập, ví dụ như phân tập khơng gian hay
phân tập thời gian. Đây là một trong những đột phá quan trọng nhất trong kỹ thuật
truyền thông hiện đại. Các tính năng chính của hệ thống nhiều anten là khả năng
biến ảnh hưởng của truyền dẫn đa đường, theo truyền thống trước đây được coi là

Trang 2

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

một điểm bất lợi cho các kênh truyền vô tuyến, thành một lợi điểm. Việc tăng tính
phân tập MIMO sẽ giúp giảm xác suất sai và tăng khả năng sử dụng kênh truyền.
Công nghệ MIMO có thể tạo ra các kênh song song độc lập trong khơng gian. Nó
cũng có thể truyền tải các luồng dữ liệu cùng một lúc, vì vậy nó làm tăng tốc độ
truyền tải của hệ thống một cách hiệu quả. Mặt khác MIMO còn tăng độ tin cậy,
khả năng cung cấp các dịch vụ Internet cũng như các ứng dụng đa phương tiện.
Ngày nay, với sự bùng nổ của công nghệ kỹ thuật như kỹ thuật xử lý số tín

hiệu (DSP), đặc biệt là cơng nghệ VLSI, kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số
trực giao (OFDM) đã và đang được quan tâm nhiều hơn, ứng dụng nhiều hơn trong
việc cải thiện hiệu quả băng thông cho hệ thống vô tuyến. Ở băng hẹp
(narrowband), kênh fading là kênh fading phẳng, phương pháp mã hóa khơng gianthời gian (ST) đã được đề xuất để khai thác phân tập khơng gian và thời gian[10].
Cịn ở băng thơng rộng (broadband), kênh fading là kênh lựa chọn tần số (selection
frequency fading). Kỹ thuật ghép kênh phân chia tần số trực giao (OFDM) chuyển
các kênh fading đa đường lựa chọn tần số thành các kênh fading phẳng song song,
vì vậy nó có thể làm giảm ảnh hưởng của fading). Kỹ thuật OFDM còn loại bỏ được
hiệu ứng ISI khi sử dụng khoảng bảo vệ đủ lớn. Ngoài ra việc sử dụng kỹ thuật
OFDM còn giảm độ phức tạp của bộ cân bằng (Equalizer) bằng cách cho phép cân
bằng tín hiệu trong miền tần số.
Từ những ưu điểm nổi bật của hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM[6], việc
kết hợp hệ thống MIMO và kỹ thuật OFDM hiện đang là một giải pháp đầy hứa hẹn
cho hệ thống thông tin không dây băng rộng tương lai. Và hiện tại MIMO-OFDM
đang được ứng dụng trong WiMAX theo tiêu chuẩn IEEE 802.16.
Hệ thống MIMO-OFDM là một trong những giải pháp được quan tâm và đã
được chấp nhận như là sơ đồ truyền dẫn không dây cho hầu hết các thế hệ kế tiếp
của hệ thống không dây băng thông rộng. Việc kết hợp với một số kỹ thuật khác
như mã hóa khơng gian - thời gian - tần số (STFC) đang là vấn đề hấp dẫn đối với
các nhà nghiên cứu.

Trang 3

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

1.1.3 Chọn đề tài
Từ những phân tích trên ta thấy sức hấp dẫn của mã LDPC cũng như hệ thống
MIMO-OFDM mã hóa STF là một lĩnh vực rất hấp dẫn. Để xem xét độ tin cậy của
kênh truyền khơng dây có sử dụng mã LDPC kết hợp với các kỹ thuật MIMOOFDM, nên tôi đã chọn đề tài: ”Ứng dụng mã LDPC và mã STF vào hệ thống
MIMO-OFDM”
1.2 Mục tiêu đề tài
Xây dựng một công cụ để so sách cho thiết lặp đường truyền khơng dây có và
khơng có sử dụng mã LDPC và mã STF trong các hệ thống MIMO-OFDM.
1.3 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề


Nghiên cứu mã hóa và giải mã mã LDPC



Thiết kế và giải mã SFC, STFC trong hệ thống MIMO-OFDM.



Mô phỏng kết quả của từng loại mã trong hệ thống MIMO-OFDM rồi
kết hợp với mã LDPC bằng phần mềm mô phỏng Matlab. Vẽ đồ thị tỷ số
lỗi ký tự (Bit Error Rate – BER) tương ứng với các thơng số tỷ lệ cơng
suất tín hiệu trên nhiễu (Signal to Noise Ratio – SNR) khác nhau.



Hệ thống được giới hạn trong trường hợp sử dụng mã LDPC có ma trận
H với độ lớn 128x256, thơng tin về trạng thái kênh truyền (channel state
information: CSI) là biết trước và trong kênh truyền giả tĩnh (quasistatic) có fading Rayleigh.

1.4 Phƣơng pháp nghiên cứu
-

Thuthập, tổnghợpcáctàiliệu lý thuyết cơ bản liênquanđếnđềtài.

-

Tìm hiểu các kết quả nghiên cứu đã cơng bố trong nước và quốc tế

-

Từ đó phân tích lý thuyết và mơ phỏng kết quả tính tốn bằng phần mềm
Matlab.

-

Tổng hợp viết báo cáo.

Trang 4

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

Chƣơng 2. TỔNG QUAN BỘ MÃ LDPC
2.1 Giới thiệu
Mã kiểm tra chẵn lẻ mật độ thấp[1] (LDPC) là mã sửa saithuộc lớp mã khối

tuyến tính cho hiệu suất tiến gầngiới hạn Shannon.Chúng được phát minh bởi
Robert Gallager vào năm 1963. Gallager đã phát biểu vào năm 1963 rằng mã LDPC
thích hợp cho giải thuật giải mã lặp. Tuy nhiên, mã LDPC bị lãng quên trong hơn
30 năm, vì sự hạn chế của phần cứng cần thiết và năng lực tính tốn tại thời điểm đó
khơng thể đáp ứng các u cầu cần thiết cho q trình mã hóa.Với năng lực tính
tốn ngày càng được cải thiện và sự phát triển của các lý thuyết liên quan, mã
LDPC đã được tái phát hiện bởi Mackay và Neal vào những năm 1990. Trong thập
kỷ qua, các nhà nghiên cứu đã đạt được tiến bộ lớn trong việc nghiên cứu mã
LDPC. Mã LDPC gần đây đã trở thành một chủ đề nghiên cứu nóng bởi vì các tính
chất vượt trội của chúng. Mã LDPC được xem là đối thủ cạnh tranh mạnh với mã
Turbo, đặc biệt là khi được sử dụng trong kênh truyền fading.
Chương này trình bày những vấn đề cơ bản vềmã LDPC. Bắt đầu với các khái
niệm về mã LDPC, cũng như phương pháp biểu diễn, phân loại và mức độ phân
phối. Sau đó, trình bày các phương phápmã hóa hiệu quả cho mã LDPC và các
phương pháp giải mã lặpcho mãLDPC có độ phức tạp giải mã thấp.
2.2 Khái niệm cơ bản về mã LDPC
2.2.1 Định nghĩa mã LDPC
Mã LDPC là mã khối tuyến tính có thể được ký hiệu là (𝑛, 𝑘) hoặc
(𝑛 , 𝑤𝑐 , 𝑤𝑟 ), trong đó 𝑛 là chiều dài của từ mã, 𝑘 là chiều dài của các bit thông tin,
𝑤𝑐 là trọng số cột(là số phần tử khác không trong một cột của ma trận kiểm tra chẵn
lẻ) và 𝑤𝑟 là trọng số hàng (là số phần tử khác không trong một hàng của ma trận
kiểm tra chẵn lẻ).
Mã LDPC có hai đặc điểm:

Trang 5

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

• Mã LDPC được biểu diễn bằng một ma trận kiểm tra chẵn lẻ H, trong đó H
là ma trận nhị phân thỏa𝒄𝐇 𝑇 = 0, trong đó c là từ mã.
• H là ma trận thưa (nghĩa là số ‘1’ít hơn nhiều so với số '0 '). Tính chất ‘thưa’
của ma trận H đảm bảo chođộ phức tạp tính tốn thấp.
2.2.2 Biểu diễn mã LDPC
Về cơ bản, có hai cách khác nhau để biểu diễn mã LDPC.Giống như các mã
khối tuyến tính khác, có thể được biểu diễn bằng ma trận. Cách thứ hai là biểu diễn
đồ hình.
2.2.2.1 Biểu diễn ma trận
Mỗi mã LDPC được xác định bởi ma trận 𝐇 có kích thước (𝑚 × 𝑛), trong đó
𝑛là chiều dài mã và 𝑚là số bit kiểm tra chẵn lẻ trong mã.Số bit hệ thống sẽ là
𝑘 = 𝑛 − 𝑚.Ma trận kiểm trachẵn lẻ có thể được biểu diễndưới dạng: 𝑯 =
𝑰𝑛−𝑘 𝑷𝑇 ]với𝑰𝑛 −𝑘 là ma trận đơn vị và 𝑷 là ma trận hệ số. Ví dụ ma trận kiểm tra
chẵn lẻ(4 × 10):
1
1
𝑯=
0
0

1
0
1
0

1
0

0
0

1
0
0
1

0
1
1
0

0
1
0
0

0
1
0
1

0
0
1
0

0
0

1
1

0
0
0
1

2.2.2.2 Đồ hình Tanner
Ngồicách biểu diễntổng quát như là một ma trận đại số, mã LDPC có thể
được biểu diễn bằng đồ hìnhchiađơi Tanner, được đề xuất bởi Tanner vào năm
1981.
Đồ hình Tanner bao gồm hai tập điểm: n điểm cho các bit từ mã (gọi là các
node biến) và k điểm cho các phương trình kiểm tra chẵn lẻ (gọi là các node kiểm
tra).Một đường nối một node biến và node kiểm tra nếu bit đó có trong phương
trình kiểm tra chẵn lẻ tương ứng và do đó số đường nối trong đồ hình Tanner bằng
với số ‘1’ trong ma trận kiểm tra chẵn lẻ.

Trang 6

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

 Chu kỳ (cycle)
Một chu kỳ (vịng) trong đồ hình Tanner là một chuỗi gồm các điểmđược kết
nối với nhau mà bắt đầu và kết thúc tại cùng một điểm trong đồ hình và trong đó

cácđiểmđi qua khơng q một lần.Chiều dài của một chu kỳ là số đường nối mà nó
chứa. Vì đồ hình Tanner có hai phía, mỗi chu kỳ sẽ có chiều dài chẵn.
 Chu vi (girth)
Chu vi là chiều dài nhỏ nhất của chu kỳ trong đồ hình Tanner.
Chúng ta minh họa chu kỳ và chu vi bằng một ví dụ đơn giản. GọiH là ma trận
kiểm tra chẵn lẻ của mộtmãLDPC bất quy tắc (10, 5):
1
0
𝐻= 0
0
1

1
1
0
0
0

0
1
1
0
0

0
0
1
1
0

0
0
0
1
1

1
1
0
1
0

0
0
1
0
1

1
0
1
0
0

0
1
0
1
1

1
0
1
0
0

(2.1)

Đồ hình Tanner tương ứng được minh họa trong hình 4.3.Đối với mã LDPC
trên, đường (𝑝1 → 𝑣8 → 𝑝3 → 𝑣10 → 𝑝1 )với đường đen đậm là một chu kỳ có độ
dài là 4. Chu kỳ này cũng là chu vi của đồ hình này vì nó là chu kỳ có độ dài nhỏ
nhất.
Cấu trúc này là rất quan trọng đối với hiệu suấtcủa mã LDPC. MãLDPC sử
dụng giải thuật giải mã lặpdựa trên sự độc lập thống kê của q trình chuyển thơng
tin giữa các node khác nhau. Khi tồn tại một chu kỳ, thông tin được tạo ra từ một
node sẽ quay trở lại chính nó, do đó phủ định giả thuyết độc lập làm cho độ chính
xác giải mã bị ảnh hưởng. Vì vậy, mong muốn rằng ma trận có các giá trị chu vi
lớn.

Trang 7

Luan van


GVHD: PGS.TS Phạm Hồng Liên

HVTH: Nguyễn Đức Phúc

Các node kiểm tra
𝑝1

𝑣1

𝑣2

𝑝2

𝑣3

𝑣4

𝑝3

𝑣5

𝑝4

𝑣6

𝑣7

𝑝5

𝑣8

𝑣9

𝑣10

Các node biến

Hình 2.1: Đồ hìnhTanner tương ứng với ma trận kiểm tra chẵn lẻ H trong (2.1)
2.2.3 MãLDPC có quy tắc và bất quy tắc
2.2.3.1 Mã LDPC có quy tắc
Mã LDPC có quy tắc đã và đang đóng một vai trị quan trọng trong lịch sử mã
hóa. Mã LDPC được gọi là có quy tắc nếu số ‘1’ trong cột gọi là𝑤𝑐 và số ‘1’ trong
hàng gọi là𝑤𝑟 là khơng đổi cho một ma trận kiểm trachẵn lẻ. Ví dụ về ma trận có
quy tắc thể như sau:

0
𝑯= 1
0
1

1
1
0
0

0
1
1
0

1
0
0
1

1

0
0
1

0
1
1
0

0
0
1
1

1
0
1
0

(2.2)

Ma trận trong ví dụ (2.2) là có quy tắc với 𝑤𝑐 = 2 và 𝑤𝑟 = 4. Cũng có thể
thấy đượctính quy tắc của mã này bằng biểu diễn đồ hình tronghình 2.2. Số đường
nối đến mỗi node biến và node kiểm tra là như nhau.

Trang 8

Luan van